論非洲國家鐵路電力供配電方案的選擇

張瀧

（中土集團福州勘察設計研究院有限公司，福建 福州 350000）

1 概述

鐵路電力供配電系統作為鐵路系統組成的核心部分，為鐵路車站及沿線區間等非牽引負荷進行供電，其重要性不言而喻。如果鐵路供配電系統發生問題，會導致鐵路系統許多功能無法正常運行，進一步影響鐵路運營效率，甚至帶來安全隱患。

面對非洲國家電力資源匱乏、公共電網薄弱、基礎設施陳舊，且各國執行的標準復雜多樣等問題，在非洲國家所實施的鐵路電力設計不能生搬硬套國內傳統的設計模式，應當針對當地實際情況，結合工程特點，采用安全適用、供電可靠、經濟合理、使用維護方便的電力設計方案。

本文通過介紹鐵路負荷分布特點，國內鐵路電力供配電系統模式，以及針對非洲國家電力資源現狀，對在電源匱乏地區的鐵路電力供配電系統方案進行研究。

2 鐵路負荷類型、分級及供電要求

鐵路用電負荷主要分布于沿線的車站、段所和區間。其中，車站負荷主要有：通信、信號、綜合調度系統、運營維護設備、給排水、暖通、照明、消防等；段所負荷主要有：檢修、整備、試驗、化驗、給排水、暖通、照明、消防等；區間負荷主要有：信號中繼站、通信基站、直放站、牽引變電所用電、防災系統及隧道照明、通風等設備用電。

根據規范要求，用電負荷被劃分成三個等級。一級負荷：應采用兩路相對獨立電源供電。二級負荷：有條件時宜采用兩路電源供電，當供電條件困難時，可由一路專用電力線路供電。三級負荷：可由一路可靠電源供電。

鐵路車站、段所的用電負荷較為集中，且用電負荷較大；區間用電負荷較小，但因沿線設置，負荷點多且較為分散。綜合實際情況，需采用兩路獨立電源供電的負荷較多。

3 國內鐵路電力供配電系統方案

隨著我國經濟發展，基礎設施的不斷建設，電力資源較為豐富，能夠滿足我國鐵路工程的建設需求。鐵路電力供配電系統由外部電源、變配電所、高壓配電系統、低壓配電系統等組成。目前，國內鐵路電力供配電系統已形成了一套成熟的設計模式，即集中供電模式，下面就該模式進行介紹。

外部電源采用公共電網可靠電源，根據用電容量，電源線路長度，當地公共電網條件等因素，一般采用10kV電源。

根據電源分布情況和運營維護方便原則，宜每隔40～60km 設置鐵路10kV 配電所，優先選擇在車站或負荷集中點。在相鄰2 個配電所之間以互為備用的供電方式設置10kV 電力貫通線，對沿線變電所進行高壓供電，該模式極大程度上減少外部電源工程，提高鐵路電力供配電系統可靠性。鐵路配電所一般采用“一站一所”的方式，向一級負荷供電的鐵路雙電源10kV 配電所電源，其中一路宜為專盤專線。向電力貫通線路供電的相鄰兩變、配電所電源之間應符合雙重電源條件，且其中一個變、配電所的電源宜為兩路電源。其他變、配電所應有一路可靠電源，有條件時宜有兩路電源。

電力貫通線分為單貫通線和雙貫通線，一般在高等級鐵路中采用雙貫通線路模式，如客運專線、自動閉塞鐵路等；低等級鐵路采用單貫通線路模式，如半自動閉塞鐵路。鑒于大部分非洲國家鐵路等級較低，對其設計時一般考慮采用單貫通線模式，故本次以單貫通線模式來介紹國內鐵路電力供配電系統設計方案。

3.1 車站供電方案

每座車站均設置10/0.4kV 變電所，設有鐵路配電所的車站，外部電源從地方公共電網接引。其10/0.4kV 變電所的一路電源由鐵路配電所站饋線接引，作為車站所有負荷的主用電源；從10kV 電力貫通線上接引一路電源，作為車站信號、通信、信息、消防等一、二級負荷的備用電源。

3.2 區間供電方案

區間負荷供電一般采用就近設置桿式變電臺或箱式變電站的方式，從10kV 電力貫通線接引電源。

3.3 技術經濟

國內鐵路供配電系統方案的供電可靠性高、電能質量好、一次性投資較高、運行維護工作量少。

4 非洲國家鐵路電力供配電系統方案的研究

非洲國家基本處于發展落后狀態，除國家首都外，其他地區的電網均較為薄弱。對于電網薄弱區域的鐵路電力供配電系統設計，面臨地區電力資源匱乏、公共電網基礎薄弱、電能質量及供電可靠性差等困難，若完全套用國內鐵路電力供配電系統方案，在該區域上難以實施。因此，我們需在既有的國內傳統方案上，尋找出符合當地國情的適宜的供電方案。以下就幾種供電方案及實例案例進行闡述。

4.1 方案一

全線不設電力貫通線，在車站、段所、區間用電負荷就近設置變、配電所，變、配電所從地方公共電網接引電源。

該方案供電可靠、電能質量好、運營維護工作量低、一次投資少，但考慮全線變、配電所均從地方接引電源，對地方電力資源要求高，一般情況下，該方案在電網薄弱的國家比較難以實施。

例如，亞吉電氣化鐵路就是采取了方案一的供配電模式。但該鐵路截止2023 年底，建成通車6 年，全線除Labu 車站有兩路地方電源引入，供電基本良好外，其余車站、區間當地供電部門均僅能提供一路電源，且因地區電網基礎設施較為陳舊，日常運維跟不上，導致頻繁停電，無法保障與行車直接相關的通信、信號等重要設備的可靠用電，進而影響安全行車和正常運營。如為提高其余車站的供電可靠性，考慮新建第二路外部電源線路的話，還需考慮既有地方電力變、配電設備是否需要更新問題，且部分地區不具備第二路電源條件。

4.2 方案二

全線不設電力貫通線，在車站、區間用電負荷就近設置變、配電所。變、配電所從地方公共電網接引一路電源，作為用電負荷的主用電源，另設置柴油發電機組作為一、二級負荷的備用電源。

該方案供電可靠、電能質量好、運營維護工作量較低、一次投資較少，但考慮全線變、配電所均需從地方接引一路電源，對地方電力資源要求較高。

考慮亞吉鐵路當前外部電源供電情況，可考慮采取方案二的供配電模式，改善供電穩定性。首先，采用柴油發電機組作為備用電源無需考慮區域內是否存在第二路外部電源條件，減少外部電源工程投資；其次，因非洲國家鐵路等級較低、規模較小，各車站、段所用電負荷容量較少，且市面上柴油比較充足、便宜，能夠滿足日常發電機組的用油需求，相比較對外部電源設施的改造，投資較少。另考慮當地外部電源頻繁停電，發電機組使用頻率較高，可采用雙發電機組作為備用電源，提高供電可靠性。

4.3 方案三

供配電系統在方案一、二的基礎上，設置交直交電源裝置，裝置從接觸網取電，對沿線重要用電負荷進行供電。

該方案供電可靠、電能質量好、運營維護工作量較低、一次投資較少，只需考慮車站變、配電所從地方接引電源，但只適用于電氣化鐵路。

由于鐵路沿線區間負荷較為分散，大多位于邊遠地區，周邊電力資源較為匱乏，有的地區周邊沒有公共電網；另電網薄弱區域供電穩定性也相對較差，嚴重影響區間用電負荷，進而影響安全行車和正常運營。接觸網作為向電力機車供電的輸電線路，電源可靠性高，且區間用電負荷均在鐵路沿線上，取電便捷。交直交電源裝置從接觸網上取電，通過變壓器降壓、整流、逆變后，可向用電負荷提供良好的電源，但該方案只適用于電氣化鐵路。

例如，坦桑尼亞中央線ISAKA 至MWANZA 鐵路，該鐵路為電氣化鐵路，全線未設置鐵路電力貫通線。在車站、段所均設置變電所，變電所從地方公共電網接引一路外部電源作為主用電源。同時，與變電所合建發電機房，采用一組柴油發電機作為備用電源。變壓器和柴油發電機組構成一用一備的供電模式，對車站、段所內的所有負荷進行供電。另考慮車站、段所內與行車密切相關的通信、信息、信號等特別重要負荷的用電可靠性，就地從接觸網取電，經交直交電源裝置轉化后與變壓器、柴油發電機共同構成三路電源的供電模式，大大提高了用電可靠性。

因沿線區間負荷周邊沒有公共電網，沿線區間負荷采用就地接觸網取電作為用電負荷的主用電源，另設置柴油發電機組作為用電負荷的備用電源。

4.4 方案四

在車站或負荷集中點設置鐵路配電所，配電所從地方公共電網接引一路電源。在相鄰2 個配電所之間以互為備用的供電方式設置電力貫通線，沿線變電所高壓電源從電力貫通線接引，作為用電負荷的主用電源，另設置柴油發電機組作為一、二級負荷的備用電源。

該方案供電可靠、電能質量好、運營維護工作量較低、一次投資高。

例如，尼日利亞拉伊鐵路就是采取方案四的供配電模式。該鐵路沿線分別在Lagos、Abeokuta 及Ibadan 車站設置鐵路配電所，另考慮當地電網的不穩定性，在與行車直接相關的通信、信號等重要設備的場所，采用2臺發電機組（一用一備）作為備用電源；其余綜合工區、貨場、整備場、機輛段等場所采用單臺柴油發電機組作為備用電源。

5 結語

綜上所述，通過分析國內常用鐵路電力系統模式和非洲國家當地實際情況，歸納總結出適用于電網薄弱區域鐵路項目的電力供配電系統方案。以上四種供電方案各有優缺點，電網薄弱區域往往存在電網分布不均的情況，一條鐵路多段分區內可能有多種外部電源情況，實際設計時需綜合考慮當地國情、工程特點、線網規劃，需經技術、經濟比較后進行確定。